基於封裝的半導體激光器熱特性分析

隨著半導體(ti) 激光器的廣泛應用，其熱問題一直是人們(men) 關(guan) 注的焦點之一。特別是對於(yu) 大功率半導體(ti) 激光器來說，如何提高光輸山效率、減小熱量產(chan) 生，更是伴隨著整個(ge) 研究發展曆程。對半導體(ti) 激光器熱特性產(chan) 生影響的因素主要是激光器芯片的外延結構和封裝方式和結構。封裝屬於(yu) 半導體(ti) 激光器的後工藝，在芯片確定的情況下，封裝效果直接影響半導體(ti) 激光器的熱特性。

1.封裝設計

首先封裝一個(ge) 激光器的封裝中，In焊料或AuSn焊料采用真空蒸鍍的方法預置在Mount熱沉上。為(wei) 半導體(ti) 激光器熱特性分析作準備，采用808nm2W芯片，封裝的類型為(wei) TO型,如圖1所示。采用芯片倒裝方式(芯片P麵與(yu) 焊料層結合)。

圖1

2、封裝結構的模擬與(yu) 分析

2.1 熱阻的計算與(yu) 分析對於(yu) In/AuSn焊料封裝和AIN過渡熱沉封裝半導體(ti) 激光器，可以根據半導體(ti) 激光器激射波長變化與(yu) 有源區溫升的關(guan) 係來計算出有源區溫度，從(cong) 而計算出器件的熱阻。

有源區溫度的變化影響其激射波長的主要原因是有源區溫度變化引起了有源區半導體(ti) 激光物質的禁帶寬度Eg的變化。計算激光器激射波長隨有源區溫度變化的關(guan) 係：

式中h為(wei) 普朗克常量，c為(wei) 光波在真空中的傳(chuan) 播速度，Eg為(wei) 半導體(ti) 激光器有源區所用半導體(ti) 材料的禁帶寬度，在室溫附近，我們(men) 可以近似地將認為(wei) 是一常量。808nm半導體(ti) 激光器的激光物質主要是GaAs，所以。將其帶入式計算出808nm半導體(ti) 激光器激射波長隨溫度的變化率為(wei) ：。

對這激光器分別做了脈衝(chong) 和穩定連續工作的參數測試。其中脈衝(chong) 測試條件是50us@200Hz，其占空比為(wei) 1％，此時的激光物質還沒有溫升，有源區溫度等於(yu) 環境溫度(25℃)，在脈衝(chong) 條件下測得激光器的激射波長分別805.4nm；連續測試的條件是穩定連續工作5分鍾後種激光器的激射波長為(wei) 813.2nm，所以其波長漂移分別為(wei) 7.8nm。進一步得到In/AuSn焊料半導體(ti) 激光器和AlN過渡熱沉封裝激光器的有源區溫升為(wei) 35.6K，對應的激光器在連續工作時有源區最高溫度為(wei) 60.6℃ 。

根據激光器的熱阻是指有源區溫升與(yu) 激光器所承受的發熱功率(之間的比值可以計算出這種激光器的發熱功率為(wei) 1.52W。將發熱功率和激光器有源溫升的結果根據公式計算得到In/AuSn焊料到AlN過渡熱沉的熱阻為(wei) 25.7K／W。

2.2 有限元軟件分析

由於(yu) 半導體(ti) 激光器和ALN過渡熱沉封裝實現了脈衝(chong) 激射，采用瞬態模擬。采用環境溫度為(wei) 300K，將熱源看成由有源區單一產(chan) 生熱量。生熱率為(wei) 1.1E15W/m³,脈衝(chong) 信號為(wei) 50us@200Hz，占空比1%。通過軟件分析得知該模型在該時刻的瞬態熱阻為(wei) l00K/W。可以從(cong) 圖2看出模型的中分布在有源區的最高溫度為(wei) 60℃，此時模型的瞬態熱阻為(wei) 68.9K／W。我們(men) 可以得出結論：隨著模擬時間的增長，半導體(ti) 激光器的瞬態熱阻逐漸減小。ALN過渡熱沉封裝LD熱特性的有限元軟件模擬與(yu) 分析，對於(yu) AlN過渡熱沉封裝激光器，我們(men) 從(cong) 圖2可以看到，激光器有源區傳(chuan) 出的90％以上的熱量都堆積在了AlN過渡熱沉內(nei) ，這是由於(yu) ALN過渡熱沉的低熱導率所造成的，這些熱量很難散失到環境中，這在激光器的脈衝(chong) 激射條件下可能是無關(guan) 緊要的，但如果對其進行連續激射，由於(yu) ALN中熱量不能及時散去，很容易導致激光器的有源區溫度過高從(cong) 而導致激光器芯片腔麵燒毀等失效現象。